我國科學家實現跨越7公里的分布式光量子計算
【化工儀器網 項目成果】分布式光量子計算是一種利用多個量子計算節點通過網絡連接，實現算力資源共享的計算模式。隨著量子比特的增加，傳統的單臺量子計算機面臨著信號串擾、布線、制冷等技術限制，難以滿足大規模計算任務的需求。而分布式量子計算通過將計算任務分散到多個量子計算節點上，利用量子糾纏和隱形傳送等量子通信手段，實現節點間的協同計算，從而大幅提升計算效率。然而，非局域量子門之前僅在數十米的尺度下實現實驗演示，無法滿足在大尺度量子網絡中整合算力資源的需求。
近日，中國科大郭光燦院士團隊在量子網絡領域取得重要進展。該團隊李傳鋒、周宗權、柳必恒等人基于多模式固態量子存儲和量子門隱形傳送協議在合肥市區實現了跨越7公里的非局域量子門，并演示了分布式的Deutsch-Jozsa算法及量子相位估計算法。這項研究標志著首次在城市距離上實現了分布式光量子計算的演示，為規模化量子計算的實現提供了新思路。
研究團隊基于量子門隱形傳送協議來建立兩個量子節點之間的非局域量子門。兩個量子節點之間的直線距離為7公里。在研究過程中，團隊首先在兩個量子節點間使用通信波段光子和專線光纜進行量子糾纏態的遠程分發。隨后，兩個節點分別執行本地的兩比特量子門操作。為了支持兩個遠距離節點間的量子通信與同步，團隊采用了摻銪硅酸釔晶體材料，實現了糾纏態的長時間存儲。實驗結果表明，兩個節點的光子之間完成了兩比特非局域量子門操作，其中受控非門的保真度達88.7%。
此外，固態量子存儲器的糾纏存儲時間達到了80.3微秒，相比前人工作提升近2倍，并且糾纏存儲的時間模式數達到了1097個，使得非局域量子門的生成速率獲得了線性的提升。基于非局域量子門，研究團隊進一步在兩個遠程節點間演示了兩比特的多伊奇—喬薩算法以及量子相位估計算法，成功實現了量子算法的遠程分布式執行。
這一成果不僅展示了基于量子存儲和通信光纜構建分布式量子計算網絡的可行性，還為規模化量子計算的實現提供了新思路。分布式光量子計算不僅有望突破單臺量子計算機的技術限制，還能通過整合多個量子計算節點的算力資源，實現更強大的計算能力。
未來，隨著量子通信和量子計算技術的不斷發展，分布式光量子計算有望在更多領域得到應用，如密碼學、材料科學、藥物研發等。它將為人類解決復雜問題提供新的方法和手段，推動科學技術的進步和發展。
相關研究成果Nonlocal photonic quantum gates over 7.0 km于近日發表在國際期刊《自然·通訊》上。
參考資料來源：中國科學技術大學
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